物理化学实验讲义.docx
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物理化学实验讲义
物理化学实验讲义
绪论
一、物理化学实验目的、要求及注意事项
1、实验目的
物化实验是物理化学教学内容的一个重要组成部分，对以后进行专业课实验和培养独立工作能力有很大帮助，学生必须以认真的科学态度，做好每一个实验。
实验的目的如下：
（1）掌握物理化学实验的基本实验方法和实验技术，学会常用仪器的操作；了解近代大中型仪器在物理化学实验中的应用，培养学生的动手能力。
（2）通过实验操作、现象观察和数据处埋，锻炼学生分析问题、解决问题的能力。
（3）加深对物理化学基本原理的理解，给学生提供理论联系实际和理论应用于实践的机会。
（4）培养学生实事求是的科学态度和严肃认真、一丝不苟的科学作风。
2、实验要求
（1）实验预习
进实验室之前必须仔细阅读实验内容及基础知识与技术部分的相关资料，明确本次实验中采用的实验方法及仪器、实验条件和需要测定的物理量等，在此基础上写出预习报告，包括实验目的、简要操作步骤、实验注意事项及实验数据记录表等。
进入实验室后首先要核对仪器与药品，看是否完好，发现问题及时向指导教师提出，然后对照仪器进一步预习，并接受教师的提问、检查，在教师指导下做好实验准备工作。
（2）实验操作
经指导教师同意后方可进行实验。
仪器的使用要严格按照操作规程进行，不可盲动；对于实验操作步骤，通过预习应做到心中有数，严禁“抓中药"式的操作（看一下书，动一动手）。
实验过程中要仔细观察实验现象，发现异常现象应仔细查明原因，或请教指导教师帮助分析处理；实验结果必须经教师检查，数据不合格的应重做，直至获得满意结果。
要养成良好的记录习惯，即根据仪器的精度，把原始数据详细、准确、实事求是地记录在预习报告上。
数据记录尽量采用表格形式，做到整洁、清楚，不随意涂改并经指导教师签字。
实验完毕后，应清洗、核对仪器，指导教师同意后，方可离开实验室。
（3）实验报告
学生应在规定时间内独立完成实验报告，及时送指导教师批阅。
实验报告的内容包括实验目的、简明原理、实验仪器装置图、简单操作步骤、原始数据、数据处理、结果讨论和思考题。
数据处理应有处理步骤，而不是只列出处理结果；结果讨论应包括对实验现象的分析解释，查阅文献的情况，对实验结果误差的定性分析或定量计算,实验的心得体会及对实验的改进意见等。
结果讨论是实验报告中的重要一项，可以锻炼学生分析问题的能力。
二、物理化学实验室安全知识
在化学实验室里，安全是非常重要的，它常常潜藏着诸如发生爆炸、着火、中毒、灼伤、割伤、触电等事故的危险性。
如何来防止这些事故的发生，以及万一发生事故如何急救，都是每一个化学实验工作者必须具备的素质。
本节主要结合物理化学实验的特点介绍安全用电常识及使用化学药品的安全防护等知识。
1、安全用电常识
物理化学实验使用电器较多，特别要注意安全用电。
违章用电可能造成仪器设备损坏、火灾、甚至人身伤亡等严重事故。
为了保障人身安全，一定要遵守以下安全用电规则。
（1）防止触电
不用潮湿的手接触电器，实验开始时，应先连接好电路再接通电源；修理或安装电器时，应先切断电源；实验结束时，先切断电源再拆线路。
不能用试电笔去试高压电，使用高压电源应有专门的防护措施。
如果有人触电，首先应迅速切断电源然后进行抢救。
（2）防止发生火灾及短路
电线的安全通电量应大于用电功率；使用的保险丝要与实验室允许的用电量相符。
室内若有氢气、煤气等易燃易爆气体，应避免产生电火花。
继电器工作时、电器接触点接触不良及开关电闸时均易产生电火花，要特别小心。
如遇电线起火，立即切断电源，用沙或二氧化碳、四氯化碳灭火器灭火，禁止用水或泡沫灭火器等导电液体灭火。
电线、电器不能被水浸湿或浸在导电液体中；线路中各接点应牢固，电路元件两端接头不要互相接触，以防短路。
（2）电器仪表的安全使用
使用前首先要了解电器仪表要求使用的电源是交流电还是宜流电；是三相电还是单相电，以及电压的大小（如380V、220V）。
须弄清电器功率是否符合要求及直流电器仪表的正、负极。
仪表量程应大于待测量，待测量大小不明时，应从最大量程开始测量。
实验前要检查线路连接是否正确，经教师检查同意后方可接通电源。
在使用过程中如发现异常，如不正常声响、局部温度升高或嗅到焦味，应立即切断电源，并报告教师进行检查。
2、使用化学药品的安全防护
（1）防毒
实验前，了解所用药品的毒性及防护措施。
操作有毒性化学药品应在通风橱内进行，避免与皮肤接触；剧毒药品应妥善保管并小心使用。
不要在实验室内喝水、吃东西；离开实验室要洗净双手。
（2）防爆
可燃气体与空气的混合物在比例处于爆炸极限时，受到热源（如电火花）诱发将会引起爆炸。
因此使用时要尽量防止可燃性气体逸出，保持室内通风良好；操作大量可燃性气体时，严紧使用明火和和可能产生电火花的电器，并防止其他物品撞击产生火花。
另外，有些药品如乙狭银、过氧化物等受震或受热易引起爆炸，使用时要特别小心。
严禁将强氧化剂和强还原剂放在一起；久藏的乙醒使用前应除去其中可能产生的过氧化物；进行易发生爆炸的实验，应有防爆措施。
（3）防火
许多有机溶剂如乙醒、丙酮等非常容易燃烧，使用时室内不能有明火、电火花等。
用后要及时回收处理，不可倒入下水道，以免聚集引起火灾。
实验室内不可存放过多这类药品。
另外，有些物质如磷、金属钠及比表面很大的金属粉末（如铁.铝等）易氧化自燃,在保存和使用时要特别小心。
实验室一旦着火不要惊慌，应根据情况选不同的灭火剂进行灭火。
以下几种情况不能用水灭火：
1有金属钠、钾、镁、铝粉、电石、过氧化钠等时，应用干沙等灭火；
2密度比水小的易燃液体着火，应采用泡沫灭火器；
3有灼烧的金属或熔融物的地方着火时，应用干沙或干粉灭火器；
4电器设备或带电系统着火，用二氧化碳或四氯化碳灭火器。
（4）防灼伤
强酸、强碱、强氧化剂、漠、磷、钠、钾、苯酚、冰醋酸等都会腐蚀皮肤，特别要防止溅入眼内。
液氧、液氮等低温也会严重灼伤皮肤，使用时要小心。
万一灼伤应及时冶疗。
3、汞的安全使用
汞中毒分急性扣慢性两种。
急性中毒多为高汞盐（如HgCh）入口所致，0.l~0.3g即可致死。
吸入汞蒸汽会引起慢性中毒，症状为食欲不振、恶心、便秘、贫血、骨骼和关节疼痛、精神衰弱等。
汞蒸气的最大安全浓度为0.lmg・m-3,而20C时汞的饱和蒸气压约为0.16Pa,超过安全浓度130倍。
所以使用汞必须严格遵守下列操作规定：
（1）储汞的容器要用厚壁玻璃器皿或瓷器，在汞面上加盖一层水，避免直接暴露于空气中，同时应放置在远离热源的地方。
一切转移汞的操作，应在装有水的浅瓷盘内进行。
（2）装汞的仪器下面一律放置浅瓷盘，防止汞滴落到桌面或地面上。
万一有汞掉落，要先用吸汞管尽可能将汞珠收集起来，然后把硫磺粉撒在汞溅落的地方，并摩擦使之生成HgS,也可用KMnO4溶液使其氧化。
擦过汞的滤纸等必须放在有水的瓷缸内。
（3）使用汞的实验室应有良好的通风设备；手上若有伤口，勿接触汞。
三、物理化学实验中的误差及数据表达
由于实验方法的可靠程度，所用仪器的精密度和实验者感官的限度等各方面条件的限制，使得一切测量均带有误差，一一测量值与真实值之差。
因此，必须对误差产生的原田及其规律进行研究，方可在合理的人力物力支出条件下，获得可靠的实验结果，再通过实验数据的列表、作图、建立数学关系式等处理步骤，使实验结果成为有参考价值的资料，这在科学研究中是必不可少的。
1、误差的分类
按其性质可分为如下三种：
（1）系统误差（恒定误差）
系统误差是指在相同条件下，多次测量同一物理量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或在条件改变时按某一确定观律变化的误差。
1实验方法的缺陷，例如使用用了近似公式；
2仪器药品的不良，如电表零点偏差，温度计刻度不准，药品纯度不高等；
3操作者的不良习惯，如观察视线偏高或偏低。
通过改变实验条件可以发现系统误差的存在，针对产生的原因可采取措施，使其尽量减少，但不能消除。
（2）过失误差
这是一种明显歪曲实验结果的误差。
它无规律可循，是由操作者读错、记错所致,只要加强责任心，此类误差可以避免。
发现有此种误差产生，所得数据应予以剔除。
（3）偶然误差
在相同条件下多次测量同一量时，误差的绝对值时大时小，符号时正时负，但随测量次数的增加，其平均值趋近于零，即具有抵偿性，此类误差称为偶然误差。
它产生的并不确定，一般是由环境条件的改变（如大气压、温度的波动），操作者感观分辨能力的限制所致。
2、测量的准确度与测量的精密度
准确度是指测量结果的准确性，即测量结果偏高真值的程度。
而真值是指用已消除系统误差的实验手段和方法进行足够多次的测量所得的算术平均值或者文献手册中的公认值。
精密度是指测量结果的可重复性及测量值有效数字的位数。
因此测量的准确度和精密度是有区别的，高精密度不一定能保证有高准确度，但高准确度必须有高精密度来保证。
3、误差的表达方法
（1）误差一般用以下三种方法表达：
1平均误差5=业其中4为测量值x,•与算术平均值I之差，〃为测量次数，n
且？
=乙」=1,2,...,〃。
II
2标准误差J
3偶然误差P=0.675b
平均误差的优点是计算简便，但用这种误差表示时，可能会把质量不高的测量掩盖住。
标准误差对一组测量中的较大误差或较小误差感觉比较灵敏，因此它是表示精度的较好方法，在近代科学中多采用标准误差。
（2）为了表达测量的精度，又分为绝对误差、相对误差两种表达方法。
1绝对误差它表示了测量值与真值的接近程度，即测量的准确度。
其表示方法为X±d或X±b。
2相对误差它表示测量值的精密度，即各次测量值相互靠近的程度。
4、有效数字
当对一个测量的量进行记录时，所记数字的位数应与仪器的精密度相符合，即所记数字的最后一位为仪器最小刻度以内的估计值，称为可疑值，其他几位为准确值，这样一个数字称为有效数字，它的位数不可随意增减。
在间接测量中，须通过一定公式将直接测量值进行运算，运算中对有效数字位数的取舍应遵循如下规则：
1误差一般只取一位有效数字，最多两位；
2有效数字的位数越多，数值的精确度也越大，相对误差越小；
3若第一位的数值等于或大于8,则有效数字的总位数可多算一位，如9.23虽然只有三位，但在运算时，可以看作四位；
4运算中舍弃过多不定数字时，应用“4舍6入，逢5尾留双”的法则；
5在加减运算中，各数值小数点后所取的位数，以其中小数点后位数最少者为准;
6在乘除运算中，各数保留的有效数字，应以其中有效数字最少者为准；
7在乘万或开方运算中，结果可多保留一位；
8对数运算时，对数中的首数不是有效数字，对数的尾数的位数，应与各数值的有效数字相当；
9算式中，常数K及乘子、分和某些取自手册的常数不受上述规则限制，其位数按实际需要取舍。
5、数据处理
物理化学实验数据的表示法主要有如下三种方法：
列表法、作图法、数学方程式法。
（1）列表法
将实验数据列成表格，排列整齐，使人一目了然。
这是数据处理中最简单的方法,应注意以下几点。
1表格要有名称。
2每行（或列）的开头一栏都要列出物理量的名称和单位，并把二者表示为相除的形式。
因为物理量的符号本身是带有单位的，除以它的单位，即等于表中的纯数字。
3数字要排列整齐，小数点要对齐，公共的乘方因子应写在开头一栏与物理量符号相乘的形式，并为异号。
4表格中表达的数据顺序为；由左列右，由自变量到因变量，可以将原始数据和处理结果列在同一表中，但应以一组数据为例，在表格下面列出算式，写出计算过程。
（2）作图法
作图法可更形象地表达出数据的特点，如极大值，极小值，拐点等，并可进一步用图解求积分、微分、外推、内插值。
作图应注意如下几点。
1图要有图名。
例如图”等。
2要用市售的正规坐标纸，并根据需要选用坐标纸种类：
直角坐标纸、三角坐标纸，半对数坐标纸、对数坐标纸等。
物理化学实验中一般用直角坐标纸，只有三组分相图使用三角坐标纸。
3坐标轴，自变量位横轴，函数为纵轴。
4适当选择坐标比例，以能表达出全部有效数字为准。
5无特殊需要，不必从坐标轴原点作标度起点，从而略低于最小的测量值的整数开始，这样能充分利用坐标纸，使全图分布均匀。
6在轴旁注明该轴变量的名称及单位，在纵轴的左面和横轴的下面注明刻度实验不应写在坐标轴旁或代表点旁。
7代表点：
将测得数量的各点绘于图上，在点的周围画上O、X、口、△等符号,其面积之大小应代表测量的精确度，若测量的精确度大，则符号应小些，反之则大些,在一张图纸上作有数组不同的测量值时，各组测量值的代表点应用不同的符号表示，以示区别，并需在图上注明。
8曲线：
用曲线尽可能接近实验点，但不必全部通过各点，只要各点均匀的分布在曲线两侧邻近即可，一般原则为：
曲线两旁的点数量近似相等；曲线与点间的距离尽可能小；曲线两侧各点与曲线距离之和接近相等；曲线应光滑均匀。
9曲线上作切线：
一般用镜像法，若在曲线的指定点作切线，可取一平而薄的镜子，使其垂直于图面上，并通过曲线上待作切线的点P,然后让镜子绕P点转动，注意观察镜中曲线影像，当镜子转到某一位子，使得曲线与其影像刚好平滑的连成一条曲线时，过P点沿镜子作一直线即为P点的法线，过P点再作法线的垂线就是曲线上P点的切线。
一、实验目的
1、了解一种测定平衡压力的方法一静态法。
2、初步掌握普通真空操作技术，中高温的控制和测温方法。
3、测定各温度下碳酸钙的分解压，从而计算在一定温度范围内的左H（CaCOs分
解的反应热）的平均值。
二、实验原理
碳酸钙高温分解，并吸收一定热量，其化学反应方程式为：
在这个反应体系内存在固态CaCO3（s）、固态CaQs汲气态CO2（g）这三个单独的相,基本上不互相溶解。
因此在一定温度时，反应的标准平衡常数：
K，=Pco.，P°
上式中：
％，表示在反应温度下，碳酸钙分解达平衡时CO2压力；
■
P6为标准压力Pd=100kPao
CaCO3在一定温度下，分解达平衡时，CO2的压力保持不变，称为分解压，分解压的数值随温度的升高而升高0
按照等压方程式的积分式：
\nK6=-\HJRT+\Sin/R
△总为反应的炳变化，R为气体常数。
在一定温度范围内因△&及4琳变化
不大，可视为常数，故可将上式改写为：
lnK°=A（l/T）+B
以lnK°对1/T作图，得一直线，其斜率及截距分别为…"JR及
B=、S"R,由此可求出CaCO3分解反应的反应热（平均值）及反应平均的炳变化。
应该注意，AH值会随温度变化，但在一个不太大的温度范围内，变化不多，故可以认为其平均值是常数，故而可用上式处理。
三、仪器和试剂
1、仪器：
SK2-M0H电阻炉
一台
石英管
一支
控温仪
一台
瓷舟
一个
DP-A精密数字压力计
一台
胶塞
一个
循环水多用真空泵
一台
电子天平
一台
2、试剂：
粉状CaCO3（A.R.）
图1实验装置图
1.管状电炉引线接温度控制器2.胶塞3.管状电
炉4.高铝瓷管或石英管5.热电偶接温度控制器
6.小瓷舟7.压力计8.缓冲瓶9、10.三通
活塞
四、实验步骤
1、称取约5克粉状CaCO3装在一小瓷舟内（或将小瓷舟装满即可），送入石英管内相当于电炉的中心部位，然后用橡皮塞紧塞石英管。
2、抽真空。
先将两三通阀门9、10置于三通的位置，启动真空泵。
再将与真空泵
-io-
相连三通阀10置于与大气隔断而与系统相通的位置，将系统抽真空（这是必要的，目的是要排净系统内原有气体），待到压力计数值不再变化后，将三通阀9旋转到石英管与压力计相通位置，将三通阀10旋转到泵与大气相通，停止抽真空。
停留10分钟后,检查压力有无变化。
如果压力计指示体系压力在增加，表示系统漏气。
应找出漏气原因，解决后，再检查至不漏气为止。
3、确定系统不漏气后，接通电源加热管状电炉，同时将热电偶插入管状电炉中央孔中，与温度控制器相连。
通电，设定温度控制器的温度为600P。
4、当温度约为600-C时，二次抽真空（排除剩余空气）。
方法如下：
首先启动真空泵,然后将三通阀10置于与大气隔断而与系统相通的位置,三通阀9置于三通位置,二次抽真空时间不可过长，大约1一2分钟即可，记录该温度下压力值。
5、调节控温仪至700-C,恒温后，每隔5分钟读取一次压力值，直至两次压力差变化不超过2%,在700-900-C之间，按上述过程测定8组数据，即每隔25C测定一次压力。
6、整理仪器。
五、注意事项
1、启停真空泵前，必须使泵与大气相通。
2、压力计使用前必须置零。
六、数据处理
1、记下实验时之室温、大气压力和所测定的几个不同温度下的温度和压力数据于记录表中，并计算处理。
室温P大气压kPa样品_g
序号
温度计读数
压力计读数
分解压
\nKd
t/°C
T/K
-xlO3/^"1T
Ah/kPci
Pec,/kPa£
血PcoJP6
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2、以In疽对1/T作图，可近似的视为直线，并以下式表示:
lnK°=A（l/T）+B,可用图解法确定A、B的值。
3、求CaCO3分解反应AJU的平均值。
4、从实验数据中，求出Pco2=100kPa时CaCO3的分解温度。
七、思考题
1、为什么装有粉状碳酸钙的小瓷舟要放在相当于电炉的中央部分?
2、如何确定在一定温度下碳酸钙分解是否达平衡？
3、碳酸钙分解实验中，碳酸钙是否需要准确称量？
实验二乙醇物性常数的测定
一、实验目的
1、掌握一种测定液体饱和蒸气压的方法，了解蒸气压与温度的关系（外压与沸点的关系）及求气化热的方法。
2、掌握用乌氏粘度计测量溶液粘度的方法。
3、了解粘度的物理意义、测定原理和方法。
4、掌握数字压力计、真空泵的使用方法。
二、实验原理
1、液体饱和蒸气压的测定：
在封闭物系中，一定温度下，纯液体与其蒸气达到平衡时的压力，称为该液体的饱和蒸气压。
它与温度有关，在一定的温度下液体有一定的饱和蒸气压，它门的关系可以近似用克拉贝龙——克劳修斯方程表示：
〃In/?
_△唧比”
dT~RT2
（1）
此处：
△唧H,”__纯液体的摩尔蒸发热KJ/mol
R——摩尔气体常数（8.314J・mol」K」）
若温度改变的区间不大，可视AH为常数，积分上式得：
lnP=—^^L+B
（2）
RT）
（2）式中1廿与1/T有线性关系，由实验数值作图，得出此直线斜率
〃?
=,由斜率可求出液体的摩尔蒸发热。
K
测液体饱和蒸气压的方法主要分三类：
（1）静态一一在某一固定温度直接测量饱和蒸气压的压力。
（2）动态一一在不同外部压力下测定液体的沸点。
（3）饱和气流法一一在液体表面上通过干燥的气流，调节气流速度使能被液体的蒸气所饱和。
然后进行气体分析，计算液体的蒸气压。
本实验采用第一种方法，此法基于液体在沸点时的饱和蒸气压力与外压达到平衡,控制不同温度，得到该温度下液体的饱和蒸气压。
静态法准确性较高，即使蒸气压只有133.3Pa左右也可测定。
静态法以等位计的两臂液面等高来观察平衡较灵敏。
对较高温度下的蒸气压测定，由于温度难以控制而准确度较差。
2、粘度的测定：
当流体受外力作用产生流动时，在流动着的液体层之间存在着切向的内部摩擦力。
如果要使液体通过管子，必须消耗一部分功来克服这种流动的阻力。
在流速低时管子中的液体沿着与管壁平行的直线方向前进，最靠近管壁的体液实际上是静止的，与管壁距离愈远，流动的速度也愈大。
流层之间的切向力/与两层间的接触面积A和速度差成正比，而与两层间的距离&成反比:
（1）
上式中，〃是比例系数，称为液体的黏度系数，简称黏度。
黏度系数的单位在C.G.S.
制中用“泊”表示.在国际单位制（SI）中用力・s表示，1泊=10-5“・s
液体的黏度可用毛细管法测定。
泊肃叶（Poiseullle）得出液体流出毛细管的速度与黏度系数之间存在如下关系式:
（2）
式中，V为在时间/内流过毛细管的液体体积；p为管两端的压力差；，•为管半径；L为管长。
按式
（2）由实验直接来测定液体的绝对黏度是困难的，但测定液体对标准液体（如水）的相对黏度是简单实用的。
在已知标准体液的绝对黏度时，即可算出被测液体的绝对黏度。
设两种液体在本身重力作用下分别流经同一毛细管，且流出的体积相等，则：
KPL—zZi_P/i
28VL亿p2t2
（3）
式中，p=hgp，其中,?
为推动液体流动的液位差；Q为液体的密度；g为重力加速度。
如果每次取用试样的体积一定，则可保持"在实验中的情况相同，因此可得：
%_印|
%PL
（4）
若已知标准液体的黏度和密度，则可得到被测液体的黏度。
本实验以纯水为标准液体，利用乌氏毛细管粘度计测定指定温度下的乙醇的黏度。
三、仪器和药品
1、仪器：
饱和蒸气压测定仪器（如图1所示）全套
图1饱和蒸气压测定仪器
循环水多用真空泵
一台
ZH-2B玻璃恒温水浴
一套
乌氏毛细管粘度计（如右图所示）
（0.6—0.7mm）
秒表1块
吸耳球1个
吊锤1个
橡皮管2段
一支
橡皮夹1个
吹风机1个
滴管2支或移液管2支
2、药品：
蒸馅水，无水乙醇（A.R.）
四、实验步骤
1、液体饱和蒸气压的测定：
（1）系统漏气检查：
关闭放气阀2和接真空泵的阀3,打开阀1。
接通电源。
待抽气泵正常运转四、五分钟后，打开阀3,使系统减压。
此时压力计的显示压力随系统减压程度的加大而减小。
当压力计显示压力为-10〜-15KPa时，关闭阀3,如果在五分钟内，压力计显示压力基本不变。
则表明系统不漏气；若有变化，则说明漏气，应仔细检查各接口处直至不漏气为止。
（2）不同温度下乙醇的饱和蒸气压的测定：
自30C起液体温度每升高2-3C左右测定一次，每次重复三遍，以取平均值。
测9~10个点。
测定方法如下：
接通冷却水，关闭放气阀2和接真空泵的阀3,打开阀1,接通电源，使真空泵运转。
正常运转后，打开放气阀2,由于系统减压，压力计变负,同时有气泡自平衡管C管逸出，气泡逸出的速度以一个一个地逸出为宜，不能成串成串地逸出。
在平衡管B管液面上的压力包括两部分，一部分是乙醇的蒸气压，另一部分空气的压力。
在测定时，必须将A管内空气排除后，才能保证B管液面上的压力为乙醇的蒸气压，否则所测得的将是空气与乙醇蒸气的混合压力。
为此可用下述方法将A球内的空气排除：
如果室温在20C附近，应减压。
此时A、B之间的空气将不断随乙醇蒸气经C管逸出，如此抽气1〜2分钟，可认为残留的空气分压己降至实验误差以下，不影响测试结果。
然后关闭抽气阀3,微微打开放空阀2（切不可太快，以免空气倒灌入A球。
如果发生空气倒灌，则需要重新排气）。
当C管与B管中两液面趋于水平时，将阀1关闭，然后在同一温度下测定两次。
温度升高后测定手续与上面相同，只是温度升高后乙醇的饱和蒸气压加大，压差减少。
测定时的温度要求恒定。
2、粘度的
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